MỞ ĐẦU Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 2: Phân tích hành vi ngƣời dùng và thiết kế kiến trúc hệ thống IoT cho nhà thông minh Chƣơng 3: Xây dựng kịch bản mô phỏng hành vi sử dụng và đánh giá hệ thống KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 5 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Internet vạn vật (IoT) là một hệ thống mạng liên kết các thiết bị vật lý và cảm biến thông qua Internet, cho phép chúng giao tiếp và trao đổi dữ liệu một cách tự động. Với IoT, các thiết bị và đối tƣợng từ nhà thông minh, xe tự lái cho đến ngành công nghiệp và y tế đều có thể kết nối và tƣơng tác với nhau. Sự phát triển của IoT đã mở ra nhiều tiềm năng và cơ hội mới trong cuộc sống và công nghiệp. Từ việc cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lƣợng cho đến việc thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng thông minh và hệ thống tự động, IoT đang trở thành một xu hƣớng quan trọng và không thể bỏ qua trong thế giới kỹ thuật số ngày nay.
Trên thực tế, IoT đang thay đổi cách chúng ta sống và làm việc, đem lại sự kết nối và tiện ích không ngừng cho mọi ngƣời. Khái niệm về IoT Internet vạn vật hay IoT là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông. IoT đƣợc hiểu là một hệ thống mạng liên kết các thiết bị vật lý, đối tƣợng và cảm biến thông qua mạng Internet, cho phép chúng giao tiếp và trao đổi dữ liệu với nhau mà không cần sự tƣơng tác của con ngƣời [2]. Lịch sử phát triển của IoT bắt đầu từ những năm 1990 với khái niệm "Máy tính trong mọi vật" (ubiquitous computing) do Mark Weiser đề xuất [3].
Tuy nhiên, IoT không thực sự trở nên phổ biến cho đến khi các công nghệ kết nối không dây và cảm biến phát triển mạnh mẽ. Sự phát triển của mạng Internet và các tiến bộ trong việc giảm giá thành sản xuất các linh kiện điện tử cũng đã đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của IoT. Gần đây, có nhiều nghiên cứu đáng chú ý trong lĩnh vực IoT. Một trong những xu hƣớng quan trọng là sự phát triển của 5G, mạng di động thế hệ tiếp theo, với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn và khả năng kết nối hàng triệu thiết bị cùng một lúc [4].
Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng IoT trong lĩnh vực nhƣ ô tô tự lái, y tế thông minh, nhà thông minh và nhiều lĩnh vực khác. Các nghiên cứu gần đây cũng tập trung vào việc tăng cƣờng bảo mật và quyền riêng tƣ trong 6 môi trƣờng IoT. Vì các thiết bị IoT thu thập và chia sẻ nhiều dữ liệu nhạy cảm, việc đảm bảo an ninh thông tin và quyền riêng tƣ là một thách thức lớn. Các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu các phƣơng pháp mã hóa mạnh mẽ, cơ chế xác thực và quản lý truy cập để bảo vệ dữ liệu trong mạng IoT.
Kiến trúc mạng IoT Kiến trúc Internet of Things (IoT) là một khái niệm quan trọng trong việc thiết kế và triển khai hệ thống IoT. Nó bao gồm các thành phần và lớp cơ sở hạ tầng để hỗ trợ việc kết nối, truyền dữ liệu và quản lý các thiết bị IoT. Thiết bị IoT (IoT Devices) là các thiết bị vật lý nhƣ cảm biến, máy móc, thiết bị điện tử, đèn, quạt, bộ điều khiển, và các đối tƣợng khác có khả năng thu thập và truyền dữ liệu. Lớp mạng kết nối (Connectivity Network) đảm nhận việc kết nối các thiết bị IoT với nhau và với Internet.
Các công nghệ kết nối phổ biến trong IoT bao gồm Wi- Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, LTE, và gần đây là 5G. Lớp Nền tảng IoT (IoT Platform) cung cấp các dịch vụ và giao thức để quản lý, kiểm soát và phân phối dữ liệu từ các thiết bị IoT. Nền tảng này cung cấp các chức năng nhƣ đăng ký thiết bị, xác thực, quản lý dữ liệu, phân tích và lƣu trữ. Trung tâm xử lý (Processing Center) thực hiện xử lý và phân tích dữ liệu từ các thiết bị IoT đƣợc thu thập.
Trung tâm này có thể là trên đám mây (cloud) hoặc trên các máy chủ tại chỗ (on-premises). Lớp Ứng dụng và giao diện ngƣời dùng (Applications and User Interface) cung cấp các ứng dụng và giao diện cho ngƣời dùng để tƣơng tác với các thiết bị và dữ liệu IoT. Điều này có thể là qua ứng dụng di động, trang web, hoặc giao diện điều khiển đặc biệt. Cuối cùng, lớp An ninh và quản lý (Security and Management) là một yếu tố quan trọng trong kiến trúc IoT, bao gồm các biện pháp bảo mật dữ liệu, xác thực thiết bị, quản lý quyền truy cập và bảo vệ khỏi các mối đe dọa an ninh.
Kiến trúc hệ thống IoT là cách mà các thành phần của một hệ thống IoT hoạt động cùng nhau để thực hiện các công việc nhƣ thu thập, truyền tải, xử lý và quản lý dữ liệu từ các thiết bị IoT. Một kiến trúc IoT tiêu biểu thƣờng bao gồm các lớp sau: Lớp cảm biến: Lớp này bao gồm cảm biến và các thiết bị thông minh thu thập và sử lý thông tin theo thời gian thực, các cảm biến sử dụng kết nối tốc độ thấp và tiêu 7 thụ ít năng lƣợng. Các loại cảm biến trong lớp này bao gồm: Cảm biến môi trƣờng, cảm biến quân sự, cảm biến cơ thể, cảm biến trong nhà, cảm biến giám sát… Lớp Gateway và mạng: Lớp Gateway và mạng đóng vai trò quan trọng để kết nối và quản lý thiết bị thông minh. + Gateway chịu trách nhiệm kết nối các thiết bị IoT với mạng truy cập Internet hoặc mạng nội bộ, hỗ trợ nhiều giao thức kết nối để tƣơng tác với các thiết bị sử dụng các giao thức khác nhau và có thể chuyển đổi dữ liệu từ một giao thức sang một giao thức khác để đảm bảo tƣơng thích.
Các Gateway có khả năng xử lý một phần lớn dữ liệu cục bộ trƣớc khi chuyển đến các dịch vụ đám mây nhằm giúp giảm lƣợng dữ liệu phải chuyển đến đám mây, giảm độ trễ và tăng hiệu suất. Gateway cũng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mạng và dữ liệu IoT, nó có thể thực hiện các biện pháp an ninh nhƣ mã hóa dữ liệu, xác thực thiết bị, và giám sát mạng để phát hiện các hoạt động đáng nghi ngờ. + Mạng trong IoT chịu trách nhiệm quản lý kết nối giữa các thiết bị IoT, bao gồm quản lý các giao thức mạng nhƣ MQTT, CoAP, hay HTTP. Hỗ trợ các chức năng nhƣ điều khiển thiết bị từ xa, theo dõi trạng thái thiết bị và cập nhật phần mềm từ xa, đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng để có thể chứa đựng và quản lý một số lƣợng lớn các thiết bị nhằm tăng hiệu suất và độ tin cậy để đảm bảo rằng các dữ liệu có thể đƣợc truyền tải một cách nhanh chóng.
Lớp dịch vụ quản lý: Lớp dịch vụ quản lý trong Internet of Things (IoT) chịu trách nhiệm về việc quản lý, theo dõi và cung cấp các dịch vụ quản lý cho các thiết bị IoT trong mạng. Một số nhiệm vụ chính nhƣ: Đăng ký và xác thực thiết bị, quản lý địa chỉ IP và thiết lập kết nối, kiểm soát truy cập và phân quyền, giám sát và thu thập dữ liệu, quản lý phần mềm và cập nhật, bảo mật và giải pháp an ninh, quản lý vòng đời thiết bị. Lớp ứng dụng: Đây là lớp giao tiếp với ngƣời sử dụng của kiến trúc IoT, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra giá trị và trải nghiệm ngƣời dùng thông qua việc phát triển các ứng dụng, giao diện ngƣời dùng, và dịch vụ cụ thể dựa trên dữ liệu từ các thiết bị IoT. 8 Kiến trúc IoT có vai trò quan trọng trong việc xây dựng và triển khai các hệ thống IoT phức tạp.
Nó cung cấp một khung làm việc để tổ chức, kết nối và quản lý các thành phần của một hệ thống IoT, từ thiết bị đến ứng dụng và tƣơng tác ngƣời dùng. Sự phát triển và ứng dụng chính xác của kiến trúc IoT sẽ giúp tận dụng đƣợc tiềm năng của IoT và đảm bảo hiệu suất và an ninh của hệ thống. Hiện nay, có nhiều kiến trúc IoT phổ biến và đƣợc sử dụng trong các ứng dụng thực tế. Dƣới đây là một số kiến trúc IoT phổ biến đƣợc áp dụng.
Kiến trúc IoT Client-Server Kiến trúc IoT Client-Server là một cấu trúc ứng dụng phân tán trong đó các thiết bị IoT hoạt động nhƣ các máy khách (client) gửi dữ liệu đến máy chủ (server) trên đám mây, nơi mà dữ liệu đƣợc lƣu trữ và xử lý. Máy chủ sau đó có thể phân phối dữ liệu này đến các máy khách khác hoặc cung cấp dữ liệu cho các ứng dụng và dịch vụ khác. Trong kiến trúc này (Hình 1.1), máy chủ đóng vai trò là trung tâm, nơi lƣu trữ và xử lý dữ liệu. Máy chủ cũng có thể cung cấp các dịch vụ và tài nguyên cho các máy khách.
Máy khách, một thiết bị IoT, có thể là một máy tính, điện thoại thông minh, hoặc bất kỳ thiết bị nào có khả năng kết nối internet và gửi dữ liệu đến máy chủ. Mô hình kiến trúc IoT Client-Server Một ví dụ về kiến trúc IoT Client-Server có thể là một hệ thống giám sát nhiệt độ trong nhà. Trong hệ thống này, cảm biến nhiệt độ (đóng vai trò là máy khách) gửi dữ liệu về nhiệt độ đến một máy chủ trên đám mây. Máy chủ sau đó xử lý dữ liệu này 9 và cung cấp thông tin cho ngƣời dùng thông qua một ứng dụng di động.
Tuy nhiên, cần lƣu ý rằng, mặc dù kiến trúc IoT Client-Server rất phổ biến và hiệu quả trong nhiều tình huống, nhƣng nó cũng có nhƣợc điểm là sự phụ thuộc vào máy chủ. Nếu máy chủ gặp sự cố hoặc không thể truy cập, toàn bộ hệ thống có thể bị ảnh hƣởng. Kiến trúc IoT phân tán Kiến trúc IoT phân tán (Distributed IoT Architecture) là một mô hình thiết kế trong đó các thành phần của hệ thống IoT đƣợc phân bố trên nhiều nút mạng khác nhau thay vì tập trung ở một nơi. Mô hình này giúp tăng cƣờng khả năng mở rộng, linh hoạt và độ tin cậy của hệ thống.
Một ví dụ (Hình 1.2) về kiến trúc IoT phân tán có thể đƣợc tìm thấy trong nghiên cứu của Vjs Pranavasri và cộng sự [5].